JP6213318B2 - Current resonance type DC voltage converter, control integrated circuit, and current resonance type DC voltage conversion method - Google Patents
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Description
本発明は、直流電圧を別の直流電圧に変換する直流電圧変換器(DC/DCコンバータ)に関し、特に、絶縁型DC/DCコンバータの代表的な回路の一つである電流共振型直流電圧変換器、制御用集積回路および電流共振型直流電圧変換方法に関する。 The present invention relates to a DC voltage converter (DC / DC converter) that converts a DC voltage into another DC voltage, and in particular, a current resonance type DC voltage conversion that is one of typical circuits of an insulated DC / DC converter. The present invention relates to a voltage regulator, a control integrated circuit, and a current resonance type DC voltage conversion method.
従来、直流電圧を別の直流電圧に変換するDC/DCコンバータのうちで、特に、絶縁型DC/DCコンバータの代表的な回路の一つである電流共振型コンバータ(LLC方式等)ではソフトスイッチング動作が可能であり、基本的には高効率を実現しやすい回路方式である(例えば特許文献1参照)。 Conventionally, among DC / DC converters that convert a DC voltage into another DC voltage, soft switching is particularly performed in a current resonance type converter (LLC method, etc.) that is one of typical circuits of an isolated DC / DC converter. It is a circuit system that can operate and is basically easy to realize high efficiency (for example, see Patent Document 1).
この特許文献1に記載の電流共振型コンバータは、スイッチング周波数を有する制御信号によってオン/オフ動作するスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子によって直流の入力電圧を交流に変換して第1の交流電圧を出力するスイッチング回路と、共振用のインダクタ及びコンデンサを有し、前記第1の交流電圧を入力して所定の共振周波数にて共振して共振信号を出力する共振回路と、前記共振信号を入力する1次巻線、及び前記1次巻線に対して絶縁された2次巻線を有する変圧器と、前記2次巻線から出力される第2の交流電圧を直流に変換して出力電圧を生成し、前記出力電圧を出力側から出力する整流回路と、前記出力電圧を検出し、前記制御信号を生成して前記スイッチング素子をオン/オフ動作させる制御回路とを備え、前記出力電圧に対する前記スイッチング周波数における所定の出力電圧対スイッチング周波数特性を有する電流共振型コンバータにおいて、前記制御回路は、起動時の前記出力電圧を検出してこの検出結果を求める出力電圧検出手段と、前記出力電圧対スイッチング周波数特性及び前記検出結果に基づき、前記出力側に対して電力の供給可能なソフトスタート開始の前記スイッチング周波数を決定する周波数決定手段と、決定された前記スイッチング周波数にて起動を開始させた後に前記スイッチング周波数を漸減する前記制御信号により、前記スイッチング素子をオン/オフ動作させて前記電流共振型コンバータの起動を制御する周波数制御手段と、を有することを特徴とするものである。
The current resonance type converter described in
しかし、この特許文献1に記載されているような電流共振型コンバータでは、太陽光パネルや蓄電池といった入出力電圧が大きく変動する用途に用いる場合、回路の変圧器一次側に並列で存在する共振インダクタンス値を小さくして共振電流を大きくすることで、数倍以上の幅広いゲイン(出力電圧/入力電圧)調整を実現する。しかし、この場合、共振電流による損失が増大し、高効率化が困難であるという課題があった。
However, in the current resonance type converter as described in
また別の方法として、電圧の変動を直列補償する追加回路を設ける方式が提案されている(例えば、非特許文献1参照)
しかし、この非特許文献1に記載されている双方向絶縁型DC/DCコンバータでは、スイッチング素子の増加や補償回路での損失増加といった課題があった。
As another method, a method of providing an additional circuit for series compensation of voltage fluctuation has been proposed (for example, see Non-Patent Document 1).
However, the bidirectional insulated DC / DC converter described in Non-Patent
従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、入出力電圧が大きく変動する用途であっても、スイッチング素子の増加や補償回路などでの損失増加を最小限にしながら高効率を実現可能な電流共振型直流電圧変換器、制御用集積回路および電流共振型直流電圧変換方法を提供することである。 In view of such problems of the prior art, the object of the present invention is to achieve high efficiency while minimizing an increase in switching elements and an increase in loss in a compensation circuit even in applications where the input / output voltage fluctuates greatly. A current resonance type DC voltage converter, a control integrated circuit, and a current resonance type DC voltage conversion method are provided.
上記目的を達成するため、本発明の電流共振型直流電圧変換器は、直流の入力電圧から交流電圧を生成するスイッチング部と、共振用キャパシタンスおよび第1共振用インダクタンスに前記交流電圧が印加されて共振する共振部と、この共振部に1次側が直列接続された変圧器と、この変圧器と並列に存在する第2共振用インダクタンスと、前記変圧器の2次側に現れる電流を整流して直流の出力電圧を生成する整流部と、前記第2共振用インダクタンスを変化させる並列共振インダクタンス調整部とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a current resonance type DC voltage converter according to the present invention includes a switching unit that generates an AC voltage from a DC input voltage, and the AC voltage applied to a resonance capacitance and a first resonance inductance. Rectifying the resonant part that resonates, the transformer whose primary side is connected in series to the resonant part, the second resonance inductance that exists in parallel with the transformer, and the current that appears on the secondary side of the transformer A rectifying unit that generates a DC output voltage and a parallel resonance inductance adjusting unit that changes the second resonance inductance are provided.
ここで、本発明の電流共振型直流電圧変換器は、前記入力電圧もしくは前記出力電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記並列共振インダクタンス調整部は、前記変圧器に並列に存在する共振インダクタンス(変圧器の励磁インダクタンスを用いてもよいし、外付けしてもよい)と、前記変圧器の前記1次側に第2スイッチを介して並列接続された調整用インダクタンスを有しており、前記電圧検出手段で検出された前記入力電圧もしくは前記出力電圧に基づいて前記第2スイッチの開閉を制御する第2スイッチ制御部をさらに備えてもよい。また、前記第2スイッチ制御部では、前記第2スイッチの開閉状態遷移の条件となる遷移条件電圧範囲が定められており、前記第2スイッチ制御部は、前記入力電圧もしくは前記出力電圧が前記遷移条件電圧範囲の内であれば前記第2スイッチを開くとともに、前記入力電圧もしくは前記出力電圧が前記遷移条件電圧範囲の内でなければ前記第2スイッチを閉じるように制御してもよい。 Here, the current resonance type DC voltage converter of the present invention includes voltage detection means for detecting the input voltage or the output voltage, and the parallel resonance inductance adjusting unit is configured to have a resonance inductance (in parallel with the transformer) A magnetizing inductance of a transformer may be used or may be externally attached), and an adjustment inductance connected in parallel via a second switch to the primary side of the transformer, You may further provide the 2nd switch control part which controls opening and closing of a said 2nd switch based on the said input voltage or the said output voltage detected by the voltage detection means. In the second switch control unit, a transition condition voltage range that is a condition for the open / close state transition of the second switch is determined, and the second switch control unit determines whether the input voltage or the output voltage is the transition The second switch may be opened if it is within the condition voltage range, and the second switch may be closed if the input voltage or the output voltage is not within the transition condition voltage range.
このような構成の電流共振型直流電圧変換器によれば、最小限の追加回路によって特に定格付近の各種損失が大幅に低減され、これにより効率を向上させることが可能となる。 According to the current resonance type DC voltage converter having such a configuration, various losses particularly in the vicinity of the rating can be greatly reduced by a minimum additional circuit, thereby improving the efficiency.
また、本発明の電流共振型直流電圧変換器において、前記第2スイッチ制御部は、前記第2スイッチが開いているときの前記遷移条件電圧範囲に対して、前記第2スイッチが閉じているときの前記遷移条件電圧範囲を変化させて、前記第2スイッチの開閉制御にヒステリシスを持たせるようにしてもよい。例えば、前記第2スイッチ制御部は、前記第2スイッチが開いているときの前記遷移条件電圧範囲に対して、前記第2スイッチが閉じているときの前記遷移条件電圧範囲をその両端の少なくとも一方で相対的に狭めてもよい。 In the current resonance type DC voltage converter according to the present invention, the second switch control unit may be configured such that the second switch is closed with respect to the transition condition voltage range when the second switch is open. The transition condition voltage range may be changed to provide hysteresis in the opening / closing control of the second switch. For example, the second switch control unit sets the transition condition voltage range when the second switch is closed to at least one of both ends of the transition condition voltage range when the second switch is closed. You may narrow relatively.
このような構成の電流共振型直流電圧変換器によれば、たとえ前記入力電圧もしくは前記出力電圧が前記遷移条件電圧範囲の下限または上限の近傍で細かく変動しても、前記第2スイッチがその度に開閉を繰り返すような現象を極力抑止できる。 According to the current resonance type DC voltage converter having such a configuration, even if the input voltage or the output voltage fluctuates in the vicinity of the lower limit or the upper limit of the transition condition voltage range, the second switch is changed each time. The phenomenon that repeatedly opens and closes can be suppressed as much as possible.
また、本発明の電流共振型直流電圧変換器において、前記第2スイッチは、第1整流手段と、この第1整流手段に直列接続された第1方向スイッチと、第2整流手段と、この第2整流手段に直列接続された第2方向スイッチとを備え、前記第1整流手段の整流方向を第1方向とし、前記第2整流手段の整流方向を第2方向とすると、前記第1方向と前記第2方向とが互いに逆向きとなるように、前記第1整流手段および前記第1方向スイッチが前記第2整流手段および前記第2方向スイッチに並列接続されていてもよい。 Further, in the current resonance type DC voltage converter of the present invention, the second switch includes a first rectifier, a first direction switch connected in series to the first rectifier, a second rectifier, and a second rectifier. A second directional switch connected in series to the two rectifying means, wherein the rectifying direction of the first rectifying means is the first direction, and the rectifying direction of the second rectifying means is the second direction, The first rectifier and the first direction switch may be connected in parallel to the second rectifier and the second direction switch so that the second direction is opposite to each other.
ここで、本発明の電流共振型直流電圧変換器は、前記変圧器の並列共振インダクタンスに流れる並列共振電流値および並列共振電流方向を検出する並列共振電流検出手段をさらに備え、前記第2スイッチ制御部は、前記第1方向スイッチおよび前記第2方向スイッチがいずれも閉じている場合に前記入力電圧もしくは前記出力電圧が前記遷移条件電圧範囲の外から内へと変化すると、前記並列共振電流方向が前記第1方向であれば、まず前記第2方向スイッチを開き、次に前記並列共振電流値が0になった後で前記第1方向スイッチを開くとともに、前記並列共振電流方向が前記第2方向であれば、まず前記第1方向スイッチを開き、次に前記並列共振電流値が0になった後で前記第2方向スイッチを開くように、前記第1方向スイッチおよび前記第2方向スイッチを制御してもよい。さらに、前記第2スイッチ制御部は、前記第1方向スイッチおよび前記第2方向スイッチがいずれも開いている場合に前記入力電圧が前記遷移条件電圧範囲の内から外へと変化すると、前記第1方向スイッチおよび前記第2方向スイッチを同時に閉じるように制御してもよい。 Here, the current resonance type DC voltage converter of the present invention further includes parallel resonance current detection means for detecting a parallel resonance current value and a parallel resonance current direction flowing in the parallel resonance inductance of the transformer, and the second switch control. When the input voltage or the output voltage changes from outside to inside of the transition condition voltage range when both the first direction switch and the second direction switch are closed, the parallel resonance current direction is If it is the first direction, the second direction switch is first opened, and then the first direction switch is opened after the parallel resonant current value becomes 0, and the parallel resonant current direction is the second direction. If the first direction switch and the first direction switch are opened, then the second direction switch is opened after the parallel resonant current value becomes zero. It may control the second direction switch. Further, the second switch control unit may change the first switch when the input voltage changes from the transition condition voltage range to the outside when both the first direction switch and the second direction switch are open. You may control to close a direction switch and the said 2nd direction switch simultaneously.
このような構成の電流共振型直流電圧変換器によれば、前記調整用インダクタに電流が流れていない状態で前記第1方向スイッチおよび前記第2方向スイッチを含む前記第2スイッチを開くため、サージ電圧の発生を抑止できるとともに、さらに前記第1整流手段および前記第2整流手段の逆回復損失も小さくすることができる。 According to the current resonance type DC voltage converter having such a configuration, since the second switch including the first direction switch and the second direction switch is opened in a state where no current flows through the adjustment inductor, a surge is generated. The generation of voltage can be suppressed, and the reverse recovery loss of the first rectifier and the second rectifier can be further reduced.
また、上記の電流共振型直流電圧変換器の前記第2スイッチ制御部を内蔵する制御用集積回路も本発明の範疇である。 A control integrated circuit incorporating the second switch control unit of the current resonance type DC voltage converter is also within the scope of the present invention.
このような構成の制御用集積回路によれば、本発明の電流共振型直流電圧変換器を容易に実現できる。 According to the control integrated circuit having such a configuration, the current resonance type DC voltage converter of the present invention can be easily realized.
あるいは、本発明の電流共振型直流電圧変換方法は、直流の入力電圧から交流電圧を生成するスイッチング工程と、共振用キャパシタンスおよび第1共振用インダクタンスを有する共振部に前記交流電圧が印加されて共振する共振工程と、前記共振部に1次側が直列接続された変圧器で変圧を行う変圧工程と、前記変圧器の2次側に現れる電流を整流して直流の出力電圧を生成する整流工程と、前記変圧器と並列に存在する第2共振用インダクタンスを変化させる共振インダクタンス調整工程とを備えることを特徴とする。 Alternatively, according to the current resonance type DC voltage conversion method of the present invention, the AC voltage is applied to a switching step for generating an AC voltage from a DC input voltage, and the resonance part having the resonance capacitance and the first resonance inductance, and the resonance is performed. A resonating step, a transforming step of transforming with a transformer having a primary side connected in series to the resonating unit, a rectifying step of rectifying a current appearing on the secondary side of the transformer to generate a DC output voltage, And a resonance inductance adjusting step of changing a second resonance inductance existing in parallel with the transformer.
このような構成の電流共振型直流電圧変換方法によれば、最小限の追加回路によって特に定格付近の各種損失が大幅に低減され、これにより効率を向上させることが可能となる。 According to the current resonance type DC voltage conversion method having such a configuration, various losses particularly near the rating can be greatly reduced by a minimum additional circuit, thereby improving the efficiency.
本発明の電流共振型直流電圧変換器および電流共振型直流電圧変換方法によれば、最小限の追加回路によって特に定格付近の各種損失が大幅に低減され、これにより効率を向上させることが可能となる。 According to the current resonance type DC voltage converter and the current resonance type DC voltage conversion method of the present invention, it is possible to greatly reduce various losses particularly near the rating by a minimum additional circuit, thereby improving the efficiency. Become.
本発明の制御用集積回路によれば、本発明の電流共振型直流電圧変換器を容易に実現できる。 According to the control integrated circuit of the present invention, the current resonance type DC voltage converter of the present invention can be easily realized.
以下、本発明に係る電流共振型直流電圧変換器および制御用集積回路のいくつかの実施形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, several embodiments of a current resonance type DC voltage converter and a control integrated circuit according to the present invention will be described with reference to the drawings.
<第1実施形態の概略構成>
図1は本発明の第1実施形態に係る並列共振インダクタンス調整方式の電流共振型コンバータ100の概観構成図である。
<Schematic configuration of the first embodiment>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a parallel resonant inductance adjustment type current
この図1に示すように、電流共振型コンバータ100は、スイッチング回路10と、LC共振回路20と、トランス30と、整流回路40と、並列共振インダクタンス調整回路50とを備えている。
As shown in FIG. 1, the current
スイッチング回路10は、直流の入力電圧Vinが入力される入力端子対11a、11bに、入力平滑用のコンデンサ12と、直列接続されたスイッチSW1およびスイッチSW2と、直列接続されたスイッチSW3およびスイッチSW4とがそれぞれ並列に接続されている。これらのスイッチSW1〜SW4によってフルブリッジ型のスイッチング回路が構成されている。
The switching
スイッチSW1〜SW4としては、例えば電界効果トランジスタ(FET)やIGBTなどのスイッチング素子が挙げられるが、これらに限らない。 Examples of the switches SW1 to SW4 include, but are not limited to, switching elements such as field effect transistors (FETs) and IGBTs.
このスイッチング回路10は、スイッチSW1〜SW4の各状態をスイッチング周波数fで所定タイミングで時系列的に切り替えることによって、スイッチSW1およびスイッチSW2間の接続点13aと、スイッチSW3およびスイッチSW4間の接続点13bとの間に交流電圧を生成する。なお、スイッチング周波数fの制御手段は図示していないが、出力電圧や出力電流を監視してスイッチング周波数fの調節を行うものが挙げられる。ただし、これに限らない。この制御手段は、後述する制御ユニット54で兼用してもよい。
The switching
LC共振回路20は、直列接続された共振用コンデンサ21(キャパシタンスCr)および共振用コイル22(インダクタンスLr)を有しており、これらによって第1の共振回路を構成している。スイッチング回路10によって生成された交流電圧が接続点13a(共振用コンデンサ21側に接続)および接続点13b(後述するトランス30の1次側巻線31を介して共振用コイル22側に接続)から印加されることで、LC共振回路20は固有の共振周波数frで共振する。
The
トランス30は、1次側巻線31および2次側巻線32を有しており、これらの1次側巻線31および2次側巻線32は互いに絶縁されている。1次側巻線31の一端がLC共振回路20の共振用コイル22側に直列に接続され、1次側巻線31の他端がスイッチング回路10の接続点13bに接続されている。このトランス30では、1次側巻線31に印加された1次電圧と巻線比に応じた2次電圧が2次側巻線32に現れる。
The
なお、トランス30の1次側巻線31には、並列に共振インダクタンス成分を設け(トランスの励磁インダクタンスを利用してもよいし、外付けでもよい)、その並列共振インダクタンスLm1に対応するコイル33が等価的に存在することになる。LLC回路では、前述の共振用コンデンサ21、共振用コイルおよび並列共振インダクタンスによって第二の共振回路を構成しており、このLLC共振回路は固有の共振周波数fr2で共振する。
A primary side winding 31 of the
整流回路40は、直流の出力電圧Voutが出力される出力端子対44a、44bに、出力平滑用のコンデンサ43と、整流方向が一致するように(この図1では上向き)直列接続された整流素子41aおよび整流素子41bと、これらの整流方向といずれも一致するように(この図1では上向き)直列接続された整流素子41cおよび整流素子41dとがそれぞれ並列に接続されている。整流素子41a〜41dとしては、例えばダイオードが挙げられるが、これに限らない。
The
この整流回路40の整流素子41aおよび整流素子41b間の接続点42aにはトランス30の2次側巻線32の一端が接続され、整流素子41cおよび整流素子41d間の接続点42bにはトランス30の2次側巻線32の他端が接続されている。これにより、整流回路40は出力端子対44a、44bに直流の出力電圧Voutを生成する。
One end of the secondary winding 32 of the
並列共振インダクタンス調整回路50は、並列共振インダクタンス調整用コイル51と、このコイル51に直列に接続されて電流の通過/遮断を切り替えることで並列共振インダクタンスLm1を実質的に変化させるための並列共振インダクタンス調整用スイッチSW5とを有しており、これらコイル51およびスイッチSW5が並列共振インダクタンスLm1に対応するコイル33に並列に接続されている。並列共振インダクタンス調整回路50はさらに、コイル33を通過する電流値およびその方向を検出する電流センサ52と、スイッチング回路10の入力端子対11a、11bにおける入力電圧Vinの電圧値を検出する電圧センサ53と、電流センサ52および電圧センサ53からの検出信号を受けるとともにそれらの検出結果に基づいてスイッチSW5の切り替えを制御する制御ユニット54とを有している。
The parallel resonance
スイッチSW5としては、スイッチSW1〜SW4と同様に、例えば電界効果トランジスタ(FET)やIGBTなどのスイッチング素子が挙げられるが、これらに限らない。電圧センサ53としては、例えば制御ユニット54がA/D入力端子を有していれば、入力電圧Vinを分圧する単純な抵抗分圧回路としてもよい。分圧した電圧を制御ユニット54のA/D入力端子に接続すれば、抵抗分圧回路の分圧比およびA/D変換結果から制御ユニット54が入力電圧Vinを検出できるからである。ただし、このような電圧検出方法に限らない。また、例えば、入力電圧Vinの代わりに出力電圧Voutを検出するような場所に電圧センサ53を配置してもよい。
Examples of the switch SW5 include, but are not limited to, switching elements such as field effect transistors (FETs) and IGBTs, like the switches SW1 to SW4. For example, if the
制御ユニット54によってスイッチSW5がONされると、並列共振インダクタンスLm1に対応するコイル33と並列にコイル51が接続されることになるので、実質的な並列共振インダクタンスLmは
Lm1//Lm2 = Lm1×Lm2/(Lm1+Lm2)
となる。
When the switch SW5 is turned on by the
It becomes.
制御ユニット54によるスイッチSW5の切り替え制御の最も簡単な例としては、スイッチSW5のON/OFF切り替えの条件となる遷移条件電圧範囲を予め定めておいて、電圧センサ53によって検出された入力電圧Vinのみに基づき、この入力電圧Vinが遷移条件電圧範囲内であればスイッチSW5をOFFし、遷移条件電圧範囲内でなければスイッチSW5をONするような制御が挙げられるが、このような制御には限らない。
As the simplest example of the switching control of the switch SW5 by the
図2は電流共振型コンバータ100における本発明のコンセプトを示しており、図2(a)は並列共振インダクタンス調整用のスイッチSW5が開いている場合(OFF)の説明図であり、図2(b)はスイッチSW5が閉じている場合(ON)の説明図である。
FIG. 2 shows the concept of the present invention in the current
図1を参照して説明したように、第1実施形態では、基本となる並列共振インダクタンスLm1とは別に調整用並列共振インダクタンスLm2を設け、スイッチSW5のON/OFFを切り替えることによってこの調整用並列共振インダクタンスLm2の有効/無効を制御可能にする。 As described with reference to FIG. 1, in the first embodiment, the adjustment parallel resonance inductance Lm2 is provided separately from the basic parallel resonance inductance Lm1, and this adjustment parallel is achieved by switching the switch SW5 ON / OFF. Enable / disable control of the resonance inductance Lm2.
調整用並列共振インダクタンスLm2が不要な動作領域(並列共振インダクタンスLm1だけで調整可能な入出力電圧条件)では、図2(a)に示すように、スイッチSW5をOFFにして調整用並列共振インダクタンスLm2を無効化することで、実質的な並列共振インダクタンスLmを相対的に大きくする。これにより、共振電流が小さくなることで損失も小さくなるので、効率を向上させることができるが、ゲインの調整範囲は狭い。したがって、効率が重視される定格付近では、スイッチSW5をOFFにした状態で使用することが好ましい。 In an operating region where the adjustment parallel resonance inductance Lm2 is not required (input / output voltage conditions that can be adjusted only by the parallel resonance inductance Lm1), as shown in FIG. 2A, the switch SW5 is turned OFF to adjust the adjustment parallel resonance inductance Lm2. By invalidating, the substantial parallel resonance inductance Lm is relatively increased. As a result, since the loss is reduced by reducing the resonance current, the efficiency can be improved, but the gain adjustment range is narrow. Therefore, it is preferable to use the switch SW5 in the OFF state near the rating where efficiency is important.
一方、大きな共振電流が必要となる動作領域(並列共振インダクタンスLm1だけでは調整不可能な入出力電圧条件)では、スイッチSW5をONにして調整用並列共振インダクタンスLm2を有効化することで、実質的な並列共振インダクタンスLmを相対的に小さく(Lm1//Lm2)する。これにより、共振電流が大きくなることで損失も大きくなるが、ゲインの調整範囲は広い。したがって、定格付近から大きく外れている場合など、広いゲインの調整範囲が必要な領域では、スイッチSW5をONにした状態で使用することが好ましい。 On the other hand, in an operating region where a large resonance current is required (input / output voltage conditions that cannot be adjusted only with the parallel resonance inductance Lm1), the switch SW5 is turned on to enable the adjustment parallel resonance inductance Lm2. The parallel resonance inductance Lm is made relatively small (Lm1 // Lm2). As a result, the loss increases as the resonance current increases, but the gain adjustment range is wide. Therefore, it is preferable to use the switch SW5 in the ON state in a region where a wide gain adjustment range is required, such as when the value is greatly deviated from the vicinity of the rating.
なお、上述した並列共振インダクタンス調整回路50では、直列接続されたコイル51およびスイッチSW5が並列共振インダクタンスLm1に対応するコイル33に並列に接続されているが、さらに同様の直列接続されたコイルおよびスイッチを並列接続して、各スイッチを組み合わせて制御するようにしてもよい。
In the parallel resonance
<第1実施形態による回路設計例と効果>
次に、本願発明の効果を確認するため、以下のような条件で回路パラメータ(Lr,Lm1、Cr)の設計を行った。
<Example of Circuit Design and Effects According to First Embodiment>
Next, in order to confirm the effect of the present invention, circuit parameters (Lr, Lm1, Cr) were designed under the following conditions.
1次側電圧: 最小=200V、最大=500V、定格=350V
2次側電圧: 最小=350V、最大=350V、定格=350V
出力: 4kW
最大出力電流: 11.43A
スイッチング周波数f: 最小=55kHz、最大=150kHz
入力電圧Vinの全領域が200〜500Vなので、定格付近の限定された領域を320〜440Vとする条件でLrおよびCrがほぼ同等となるような解を求めたところ、以下のような解が得られた。
Primary side voltage: Minimum = 200V, Maximum = 500V, Rating = 350V
Secondary voltage: Minimum = 350V, Maximum = 350V, Rating = 350V
Output: 4kW
Maximum output current: 11.43A
Switching frequency f: minimum = 55 kHz, maximum = 150 kHz
Since the entire range of the input voltage Vin is 200 to 500V, when a solution in which Lr and Cr are almost equal under the condition that the limited region near the rating is 320 to 440V is obtained, the following solution is obtained. It was.
全領域(200〜500V)
トランス巻線比 1:1
Lr= 23.4μH
Lm= 46.8μH
Cr=130.2μF
限定領域(320〜440V)
トランス巻線比 1:1
Lr= 24.3μH
Lm=146.0μH
Cr=130.6μF
このような設計結果を電流共振型コンバータ100でほぼ実現するには、以下のように回路パラメータを定めればよい。
All areas (200-500V)
Transformer winding ratio 1: 1
Lr = 23.4 μH
Lm = 46.8 μH
Cr = 130.2μF
Limited area (320-440V)
Transformer winding ratio 1: 1
Lr = 24.3 μH
Lm = 146.0 μH
Cr = 130.6μF
In order to substantially realize such a design result with the current
Lr = 24μH
Lm1=146μH
Lm2= 69μH
Cr =130μF
また、比較対象として、従来技術による電流共振型コンバータで以下のような回路パラメータのものを用いた。
Lr = 24 μH
Lm1 = 146 μH
Lm2 = 69μH
Cr = 130 μF
For comparison, a current resonance converter according to the prior art having the following circuit parameters was used.
Lr = 24μH
Lm1= 46.8μH
Cr =130μF
以上のように定めた回路パラメータを用いた第1実施形態の電流共振型コンバータ100および従来技術による電流共振型コンバータ(調整用並列共振インダクタンスLm2およびスイッチSW5を設けないもの、出力電圧:350V、出力:4kW)それぞれについて、回路シミュレーションおよびその分析などを行った結果を次に説明する。
Lr = 24 μH
Lm1 = 46.8 μH
Cr = 130 μF
The current
図3は入力電圧Vinに応じた電流共振型コンバータ100による損失を従来設計との相対比で例示するグラフである。ここで、損失とは、スイッチの損失とコイル、トランスの損失(銅損)との合計である。
FIG. 3 is a graph illustrating the loss due to the current
この図3に示すように、入力電圧Vinが320V〜440Vの限定領域(以下では「遷移条件電圧範囲」という)内であればスイッチSW5はOFFされる。例えば、入力電圧Vinが350V、400Vでは、損失が従来設計との対比でいずれも60%近くまで低減していることが確認された。 As shown in FIG. 3, if the input voltage Vin is within a limited region of 320V to 440V (hereinafter referred to as “transition condition voltage range”), the switch SW5 is turned off. For example, when the input voltage Vin is 350V or 400V, it has been confirmed that the loss is reduced to nearly 60% in comparison with the conventional design.
このように、電流共振型コンバータ100では、入力電圧Vinの遷移条件電圧範囲では並列共振インダクタンス調整用スイッチSW5をOFFにし、それ以外ではONにすることで定格付近の効率向上が可能となる。
As described above, in the current
図4は入力電圧Vinが350V、出力が4kWのときの電流共振型コンバータ100による損失詳細の分析結果を従来設計と対比して例示するグラフである。
FIG. 4 is a graph illustrating an analysis result of loss details by the current
この図4に示すように、従来設計の場合と比べて、スイッチSW1〜SW4およびコイル(Lr、Lm)における損失が低減していることが確認できる。 As shown in FIG. 4, it can be confirmed that the losses in the switches SW1 to SW4 and the coils (Lr, Lm) are reduced as compared with the conventional design.
図5(a)および図5(b)は入力電圧Vinが350V、出力が4kWのときの電流共振型コンバータ100におけるコイルおよびトランスの電流波形を従来設計と対比して例示しており、図5(a)が従来設計における各電流波形のグラフであり、図5(b)が電流共振型コンバータ100における各電流波形のグラフである。
5A and 5B illustrate the current waveforms of the coil and the transformer in the current
図5(a)に示すように、従来設計では、並列共振インダクタンスLm1の値が小さいため、並列共振電流が大きくなっていることがわかる。 As shown in FIG. 5A, in the conventional design, it can be seen that the parallel resonance current is large because the value of the parallel resonance inductance Lm1 is small.
一方、図5(b)に示すように、並列共振インダクタンス調整方式の電流共振型コンバータ100では実質的な並列共振インダクタンスLm1が大きいため並列共振電流が小さく押さえられている。この結果、本方式の方が損失が低くなったと考えられる。
On the other hand, as shown in FIG. 5B, in the parallel resonance inductance adjustment type
<第1実施形態の第1変形例>
図6は本発明の第1実施形態の第1変形例に係る並列共振インダクタンス調整方式の電流共振型コンバータ100Aの概観構成図である。なお、第1実施形態と同一部分については同一の参照符号を付し、その説明の繰り返しは省略する。
<First Modification of First Embodiment>
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a parallel resonance inductance adjustment type current resonance converter 100A according to a first modification of the first embodiment of the present invention. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
上述した第1実施形態のスイッチング回路10では、スイッチSW1〜SW4によってフルブリッジ型のスイッチング回路が構成されていたが、このような回路に限らない。例えば、図6に示した電流共振型コンバータ100Aのように、第1実施形態のスイッチング回路10をハーフブリッジ型のスイッチング回路10Aに置換するとともに、トランス30の1次側巻線31の一端(LC共振回路20の共振用コイル22側に接続されていない方)を入力端子11bに接続してもよい。
In the switching
<第1実施形態の第2変形例>
図7は本発明の第1実施形態の第2変形例に係る並列共振インダクタンス調整方式の電流共振型コンバータ100Bの概観構成図である。なお、第1実施形態と同一部分については同一の参照符号を付し、その説明の繰り返しは省略する。
<Second Modification of First Embodiment>
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a parallel resonance inductance adjustment type current resonance converter 100B according to a second modification of the first embodiment of the present invention. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
上述した第1実施形態の並列共振インダクタンス調整回路50では、コイル33を通過する電流値およびその方向を直接検出する電流センサ52を用いていたが、このような検出方法に限らない。例えば、図7に示した電流共振型コンバータ100Bのように、第1実施形態の電流センサ52に代えて、スイッチSW5とコイル33の間を通過する電流値およびその方向を検出する電流センサ52aと、トランス30の1次側巻線31を通過する電流値およびその方向を検出する電流センサ52bとを設けてもよい。
In the parallel resonance
ここで、スイッチSW5とコイル33の間を通過する電流をIa、トランス30の1次側巻線31を通過する電流をIbとすれば、コイル33を通過する電流値およびその方向はIa−Ibから算出できる。なお、このような構成変更により、第1実施形態の制御ユニット54についても、制御内容を多少変更した制御ユニット54Bに置換する必要がある。
Here, if the current passing between the switch SW5 and the
<第2実施形態>
図8は本発明の第2実施形態に係る並列共振インダクタンス調整方式の電流共振型コンバータにおけるスイッチSW5のON/OFF制御の概観説明図である。
Second Embodiment
FIG. 8 is an overview explanatory diagram of ON / OFF control of the switch SW5 in the parallel resonance inductance adjustment type current resonance converter according to the second embodiment of the present invention.
上述した第1実施形態の並列共振インダクタンス調整回路50では、制御ユニット54は、電圧センサ53によって検出された入力電圧Vinのみに基づき、この入力電圧Vinが遷移条件電圧範囲内であればスイッチSW5をOFFし、遷移条件電圧範囲内でなければスイッチSW5をONするように制御する。
In the parallel resonant
しかしながら、例えば太陽光パネルなどに入力側を接続した場合、入力電圧Vinは日射量に応じて変動する。もし、遷移条件電圧範囲の上限または下限を挟んで入力電圧Vinが細かく変動したりすると、スイッチSW5がその度にONとOFFを繰り返し、いわゆるチャタリングのような現象を生じかねない。 However, for example, when the input side is connected to a solar panel or the like, the input voltage Vin varies according to the amount of solar radiation. If the input voltage Vin fluctuates finely across the upper limit or lower limit of the transition condition voltage range, the switch SW5 repeats ON and OFF each time, and a so-called chattering phenomenon may occur.
そこで、このようなチャタリングを極力抑止するため、いわゆるヒステリシスを持たせるようなスイッチSW5のON/OFF制御が望ましい。具体例として、入力電圧Vinの遷移条件電圧範囲が320V〜440Vの場合について説明する。 Therefore, in order to suppress such chattering as much as possible, ON / OFF control of the switch SW5 that has a so-called hysteresis is desirable. As a specific example, a case where the transition condition voltage range of the input voltage Vin is 320V to 440V will be described.
(1)スイッチSW5がOFFのとき
入力電圧Vinが変動してこの遷移条件電圧範囲内から範囲外に変化したときは、すぐにスイッチSW5をOFFからONに切り替える。そのとき、入力電圧Vinの遷移条件電圧範囲を元の範囲よりも狭い範囲、例えば、(320+Vh)V〜(440−Vh)Vに一時的に変更する。ここで、Vhはヒステリシス用電圧である。
(1) When the switch SW5 is OFF When the input voltage Vin fluctuates and changes from within this transition condition voltage range, the switch SW5 is immediately switched from OFF to ON. At that time, the transition condition voltage range of the input voltage Vin is temporarily changed to a range narrower than the original range, for example, (320 + Vh) V to (440−Vh) V. Here, Vh is a hysteresis voltage.
これにより、入力電圧Vinが、例えば320Vをわずかに下回ってスイッチSW5がOFFからONに切り替わった直後に再び320Vに戻ったとしても、入力電圧Vinが(320+Vh)Vには達してないので、スイッチSW5が再びOFFに戻ることなくON状態が維持される。 As a result, even if the input voltage Vin is slightly lower than, for example, 320 V and the switch SW5 returns to 320 V immediately after switching from OFF to ON, the input voltage Vin does not reach (320 + Vh) V. The ON state is maintained without the SW5 returning to OFF again.
入力電圧Vinがさらに大きくなって(320+Vh)Vに達すれば、その時点でスイッチSW5をONからOFFに切り替える。 When the input voltage Vin further increases and reaches (320 + Vh) V, the switch SW5 is switched from ON to OFF at that time.
(2)スイッチSW5がONのとき
上述したように、スイッチSW5をONに切り替えたときは、入力電圧Vinの遷移条件電圧範囲を元の範囲よりも狭い範囲、例えば、(320+Vh)V〜(440−Vh)Vに一時的に変更している。そのため、入力電圧Vinが、例えば320V未満から320Vに達してもスイッチSW5はON状態が維持されるが、入力電圧Vinがさらに大きくなって(320+Vh)Vに達すれば、その時点でスイッチSW5がONからOFFに切り替わる。そのとき、入力電圧Vinの遷移条件電圧範囲を元の範囲に戻す。
(2) When the switch SW5 is ON As described above, when the switch SW5 is switched ON, the transition condition voltage range of the input voltage Vin is narrower than the original range, for example, (320 + Vh) V to (440 -Vh) Temporarily changed to V. Therefore, even if the input voltage Vin reaches, for example, less than 320V to 320V, the switch SW5 is maintained in the ON state. However, if the input voltage Vin further increases and reaches (320 + Vh) V, the switch SW5 is turned on at that time. Switches from to OFF. At that time, the transition condition voltage range of the input voltage Vin is returned to the original range.
これにより、入力電圧Vinが、例えば(320+Vh)Vをわずかに上回ってスイッチSW5がONからOFFに切り替わった直後に再び(320+Vh)Vに戻ったとしても、入力電圧Vinは320Vには達してないので、スイッチSW5が再びONに戻ることなくOFF状態が維持される。 As a result, even if the input voltage Vin slightly exceeds (320 + Vh) V, for example, and immediately after the switch SW5 is switched from ON to OFF, it returns to (320 + Vh) V again, the input voltage Vin does not reach 320V. Therefore, the OFF state is maintained without the switch SW5 returning to ON again.
入力電圧Vinがさらに小さくなって320V未満になれば、その時点でスイッチSW5がOFFからONに切り替わる。このとき、上述したように、入力電圧Vinの遷移条件電圧範囲を元の範囲よりも狭い範囲に再び一時的に変更する。 When the input voltage Vin is further reduced to less than 320 V, the switch SW5 is switched from OFF to ON at that time. At this time, as described above, the transition condition voltage range of the input voltage Vin is temporarily changed again to a range narrower than the original range.
入力電圧Vinの遷移条件電圧範囲を一時的に変更する際、必ずしもスイッチSW5がONのときに遷移条件電圧範囲の変更を行わなくてもよい。逆に、スイッチSW5がOFFのときに元の範囲よりも広い範囲に変更してもよい。つまり、スイッチSW5がONのときの遷移条件電圧範囲をOFFのときよりも相対的に狭くすればよい。 When temporarily changing the transition condition voltage range of the input voltage Vin, it is not always necessary to change the transition condition voltage range when the switch SW5 is ON. Conversely, when the switch SW5 is OFF, the range may be changed to a range wider than the original range. That is, the transition condition voltage range when the switch SW5 is ON may be relatively narrower than when it is OFF.
また、入力電圧Vinの遷移条件電圧範囲の下限側と上限側を必ずしも同じ電圧幅で変更しなくてもよい。例えば、(320+Vh1)V〜(440−Vh2)としてもよい。ここで、Vh1、Vh2はいずれもヒステリシス用電圧であって、Vh1≠Vh2とする。このような制御とは異なる方法でヒステリシスを持たせるようにしてもかまわない。 Further, the lower limit side and the upper limit side of the transition condition voltage range of the input voltage Vin are not necessarily changed with the same voltage width. For example, it may be (320 + Vh1) V to (440−Vh2). Here, Vh1 and Vh2 are both hysteresis voltages, and Vh1 ≠ Vh2. Hysteresis may be provided by a method different from such control.
また、入力電圧Vinの遷移条件電圧範囲の下限側と上限側を同時に変更しなくてもよい。例えば、入力電圧Vinが遷移条件電圧範囲の下限側の近傍であれば、遷移条件電圧範囲の下限側のみを一時的に変更すればよい。つまり、入力電圧Vinの遷移条件電圧範囲の下限側と上限側の少なくとも一方で変更すればよいのである。 Further, the lower limit side and the upper limit side of the transition condition voltage range of the input voltage Vin may not be changed at the same time. For example, if the input voltage Vin is near the lower limit side of the transition condition voltage range, only the lower limit side of the transition condition voltage range may be temporarily changed. That is, it is only necessary to change at least one of the lower limit side and the upper limit side of the transition condition voltage range of the input voltage Vin.
なお、スイッチSW5のON/OFF前後でLLC共振回路の共振周波数fr2が変化するため、スイッチング周波数fとゲインの特性は不連続に変化する。この不連続な変化に対応するため、スイッチSW5の切替と合わせてスイッチング周波数fを補正するような制御を行うことが望ましい。 Since the resonance frequency fr2 of the LLC resonance circuit changes before and after the switch SW5 is turned on / off, the characteristics of the switching frequency f and the gain change discontinuously. In order to cope with this discontinuous change, it is desirable to perform control to correct the switching frequency f in conjunction with the switching of the switch SW5.
<第3実施形態>
上述した第1実施形態および第2実施形態では、並列共振インダクタンス調整回路50の並列共振インダクタンス調整用スイッチSW5をOFF(図2(a)参照)からON(図2(b)参照)にする場合は、スイッチSW5と直列にコイル51(調整用並列共振インダクタンスLm2)が存在するため、電流の変化は緩やかであり、特に問題はない。
<Third Embodiment>
In the first and second embodiments described above, the parallel resonance inductance adjustment switch SW5 of the parallel resonance
しかし、逆にスイッチSW5をONからOFFにする場合には、コイル51(調整用並列共振インダクタンスLm2)の電流がそのまま流れ続けようとするため、電流導通時に急にOFFにするとサージ電圧が発生して、スイッチSW5が破損するなどの悪影響もあり得る。 However, conversely, when the switch SW5 is turned from ON to OFF, the current of the coil 51 (adjustment parallel resonance inductance Lm2) continues to flow as it is, so that a surge voltage is generated if the switch is suddenly turned OFF during current conduction. Thus, there may be adverse effects such as breakage of the switch SW5.
そこで、このようなことを極力回避できるように、並列共振インダクタンス調整用スイッチを異なる構成としたものを第3実施形態とし、以下では相違点を主に説明する。 Therefore, in order to avoid such a situation as much as possible, the parallel resonance inductance adjustment switch having a different configuration is referred to as a third embodiment, and the difference will be mainly described below.
図9は本発明の第3実施形態に係る並列共振インダクタンス調整方式の電流共振型コンバータにおける並列共振インダクタンス調整用スイッチSW5Cの概観構成図である。なお、第1実施形態と同一部分については同一の参照符号を付し、その説明の繰り返しは省略する。 FIG. 9 is a schematic configuration diagram of the parallel resonance inductance adjustment switch SW5C in the parallel resonance inductance adjustment type current resonance converter according to the third embodiment of the present invention. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
この図9に示すように、スイッチSW5Cは、整流素子55aと、この整流素子55aの陰極側に直列に接続されたスイッチSaと、整流素子55bと、この整流素子55bの陰極側に直列に接続されたスイッチSbとを備えている。整流素子55a、55bとしては、例えばダイオードが挙げられるが、これに限らない。
As shown in FIG. 9, the switch SW5C is connected in series to the
そして、直列接続されたスイッチSaおよび整流素子55aが、直列接続された整流素子55bおよびスイッチSbに並列に接続されており、このときの整流素子55aの整流方向(図9では上向き)と整流素子55bの整流方向(図9では下向き)とは互いに逆になっている。
The switch Sa and the rectifying
図10(a)〜(e)は本発明の第3実施形態に係る並列共振インダクタンス調整方式の電流共振型コンバータにおける並列共振インダクタンス調整用スイッチSW5Cの動作シーケンスの概観説明図である。 FIGS. 10A to 10E are schematic explanatory diagrams of an operation sequence of the parallel resonance inductance adjustment switch SW5C in the parallel resonance inductance adjustment type current resonance converter according to the third embodiment of the present invention.
図10(a)に示すように、例えば入力電圧Vinが遷移条件電圧範囲よりも低くてスイッチSaおよびスイッチSbがいずれもON状態を想定する。電流センサ52の検出結果によってLC共振回路20からコイル51(調整用並列共振インダクタンスLm2)の方向へ(図10(a)では下向き)に電流が流れていることがわかっているときに、電圧センサ53の検出結果によって入力電圧Vinが高くなって遷移条件電圧範囲内に入ったことがわかったとすると、スイッチSW5CをONからOFFに切り替える必要がある。
As shown in FIG. 10A, for example, it is assumed that the input voltage Vin is lower than the transition condition voltage range and both the switch Sa and the switch Sb are in the ON state. When it is known from the detection result of the
このとき、整流素子55aの整流方向は、コイル51を流れている電流の向きとは逆なので、この整流素子55aに直列接続されているスイッチSaには電流は流れていない。そこで、図10(b)に示すように、スイッチSaをONからOFFに切り替えてもサージ電圧は発生しない。
At this time, since the rectification direction of the rectifying
コイル51を流れている電流は共振電流であるから、図10(c)に示すように、徐々に小さくなっていく。そして、共振電流が0となった後、図10(d)に示すように、電流の向きが反転する。このとき、反転後の電流の向きとは整流素子55bの整流方向が逆なので、この整流素子55bに直列接続されているスイッチSbには電流は流れない。
Since the current flowing through the
そこで、図10(e)に示すように、スイッチSbをONからOFFに切り替えてもサージ電圧は発生しない。これにより、スイッチSaおよびスイッチSbのいずれもOFFとなり、スイッチSW5CのONからOFFへの切り替えが完了する。 Therefore, as shown in FIG. 10E, no surge voltage is generated even when the switch Sb is switched from ON to OFF. Thereby, both the switch Sa and the switch Sb are turned off, and the switch from the ON to the OFF of the switch SW5C is completed.
このようなシーケンスでスイッチSaおよびスイッチSbの切り替えを制御することで、コイル51に電流が流れていない状態でスイッチSW5CをONからOFFに切り替えるため、サージ電圧の発生を抑止できるとともに、さらに整流素子55aおよび整流素子55bの逆回復損失も小さくすることができる。
By controlling the switching of the switch Sa and the switch Sb in such a sequence, the switch SW5C is switched from ON to OFF in a state where no current flows through the
なお、図10(a)の場合と同様に、例えば入力電圧Vinが遷移条件電圧範囲よりも低くてスイッチSaおよびスイッチSbがいずれもON状態ではあるものの、電流センサ52によって検出された電流の向きが逆であれば、上述した説明のスイッチSaとスイッチSbを読み替えるとともに、整流素子55aと整流素子55bも読み替えた上で、図10(a)〜図10(e)と同様の制御を行えばよい。
As in the case of FIG. 10A, for example, although the input voltage Vin is lower than the transition condition voltage range and both the switch Sa and the switch Sb are in the ON state, the direction of the current detected by the
図11は本発明の第3実施形態に係る並列共振インダクタンス調整方式の電流共振型コンバータにおいて、並列共振インダクタンスLm調整用スイッチSW5CのON/OFF切り替えにヒステリシスも持たせるようにした場合の状態遷移を示す概観説明図である。図12はその動作の概略フローチャートである。なお、これらの図に示すような制御を行うには、第1実施形態の制御ユニット54の構成や制御内容を多少変更する必要がある。例えば、制御ユニットからの制御出力信号を2系統に増やし、スイッチSaおよびスイッチSbを独立してON/OFFできる必要がある。それと併せて、制御内容も変更する必要がある。
FIG. 11 shows the state transition in the case where the ON / OFF switching of the parallel resonance inductance Lm adjustment switch SW5C is provided with hysteresis in the parallel resonance inductance adjustment type current resonance converter according to the third embodiment of the present invention. FIG. FIG. 12 is a schematic flowchart of the operation. In order to perform the control shown in these drawings, it is necessary to slightly change the configuration and control contents of the
図12に示すように、まず、スイッチSaおよびスイッチSbをいずれもONに初期化(S1201)した後に、状態B(S1202、図11ではS11Bに対応)に移行する。 As shown in FIG. 12, first, both the switch Sa and the switch Sb are initialized to ON (S1201), and then the state shifts to the state B (S1202, corresponding to S11B in FIG. 11).
状態Bでは、電圧センサ53によって入力電圧Vinを検出し、(320+Vh)V〜(440−Vh)Vの範囲内であるか否かを判別する(S1203)。判別結果がNoであればS1202に戻る。
In the state B, the input voltage Vin is detected by the
判別結果がYesであれば、次に電流センサ52によってコイル51の電流(以下では「並列共振電流」という)を検出し、その向きを判別する(S1204)。この並列共振電流が図10(a)に示したように下向きであればS1205に進み、上向きであればS1208に進む。
If the determination result is Yes, then the current of the coil 51 (hereinafter referred to as “parallel resonance current”) is detected by the
S1205では、図10(b)に示したように、スイッチSaをONからOFFに切り替える(図11ではS11Cに対応)。 In S1205, the switch Sa is switched from ON to OFF as shown in FIG. 10B (corresponding to S11C in FIG. 11).
次に、電流センサ52によって検出される並列共振電流を監視し、この並列共振電流が図10(d)に示したように0になったかどうかを判別する(S1206)。まだ0になっていなければこのS1206の処理を繰り返し、0になっていれば、図10(e)に示したように、スイッチSbをONからOFFに切り替えた(S1207)後に、状態A(S1211、図11ではS11Aに対応)に移行する。
Next, the parallel resonance current detected by the
一方、1208では、スイッチSbをONからOFFに切り替える(図11ではS11Dに対応)。 On the other hand, at 1208, the switch Sb is switched from ON to OFF (corresponding to S11D in FIG. 11).
次に、電流センサ52によって検出される並列共振電流を監視し、この並列共振電流が0になったかどうかを判別する(S1209)。まだ0になっていなければこのS1209の処理を繰り返し、0になっていれば、スイッチSaをONからOFFに切り替えた(S1210)後に、状態A(S1211、図11ではS11Aに対応)に移行する。
Next, the parallel resonance current detected by the
状態Aでは、電圧センサ53によって入力電圧Vinを検出し、320V未満または440Vより大きいか否かを判別する(S1212)。判別結果がNoであればS1211に戻る。
In the state A, the input voltage Vin is detected by the
判別結果がYesであれば、スイッチSaおよびスイッチSbをいずれもONに切り替えた(S1213)後に、状態B(S1202、図11ではS11Bに対応)に移行する。 If the determination result is Yes, the switch Sa and the switch Sb are both turned ON (S1213), and then the state B (S1202, corresponding to S11B in FIG. 11) is entered.
<その他の実施形態>
上述した第1実施形態の制御ユニット54、第1実施形態の第2変形例の制御ユニット54B、第3実施形態用の制御ユニットなどを制御用集積回路(IC)としてもよい。
<Other embodiments>
The
特に、第3実施形態用の制御ユニットを制御用集積回路(IC)としておけば、2つのスイッチを的確なタイミングで複雑に制御する必要がある第3実施形態に係るに並列共振インダクタンス調整方式の電流共振型コンバータを容易に実現することができる。 In particular, if the control unit for the third embodiment is a control integrated circuit (IC), it is necessary to control two switches in a complicated manner at an appropriate timing. A current resonance type converter can be easily realized.
また、上記の各実施形態の制御ユニットは、汎用のCPUなどに適切なプログラムを組み込むことによっても実現できる。 The control unit of each of the above embodiments can also be realized by incorporating an appropriate program into a general-purpose CPU or the like.
なお、本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。 It should be noted that the present invention can be implemented in various other forms without departing from the spirit or main features thereof. Therefore, the above-mentioned embodiment is only a mere illustration in all points, and should not be interpreted limitedly. The scope of the present invention is indicated by the claims, and is not restricted by the text of the specification. Further, all modifications and changes belonging to the equivalent scope of the claims are within the scope of the present invention.
本発明は、絶縁型DC/DCコンバータが用いられるPV(太陽光発電)コンバータ、蓄電池用の充電器、風力発電用コンバータなどだけでなく、絶縁型DC/DCコンバータ用制御ICなどにも好適である。 The present invention is suitable not only for PV (solar power generation) converters using insulated DC / DC converters, battery chargers, converters for wind power generation, but also for control ICs for insulated DC / DC converters. is there.
100 電流共振型コンバータ
100A 電流共振型コンバータ
100B 電流共振型コンバータ
10 スイッチング回路
11a、11b 入力端子
12 コンデンサ
SW1〜SW4 スイッチ
13a、13b 接続点
20 LC共振回路
21 共振用コンデンサ
22 共振用コイル
30 トランス
31 1次側巻線
32 2次側巻線
33(Lm1) コイル
40 整流回路
41a〜41d 整流素子
42a、42b 接続点
43 コンデンサ
44a、44b 出力端子
50 並列共振インダクタンス調整回路
50B 並列共振インダクタンス調整回路
51(Lm2) コイル
SW5 スイッチ
SW5C スイッチ
Sa スイッチ
Sb スイッチ
52 電流センサ
52a、52b 電流センサ
53 電圧センサ
54 制御ユニット
54B 制御ユニット
55a 整流素子
55b 整流素子
Vin 入力電圧
Vout 出力電圧
100 current resonance converter 100A current resonance converter 100B
Claims (6)
共振用キャパシタンスおよび第1共振用インダクタンスに前記交流電圧が印加されて共振する共振部と、
この共振部に1次側が直列接続された変圧器と、
この変圧器と並列に存在する第2共振用インダクタンスと、
前記変圧器の2次側に現れる電流を整流して直流の出力電圧を生成する整流部と、
前記変圧器の前記1次側に第2スイッチを介して並列接続された調整用インダクタンスを有し、前記第2共振用インダクタンスを変化させる並列共振インダクタンス調整部と、
前記入力電圧もしくは前記出力電圧を検出する電圧検出手段と、
この電圧検出手段で検出された前記入力電圧もしくは前記出力電圧に基づいて前記第2スイッチの開閉を制御する第2スイッチ制御部と
を備え、
前記第2スイッチ制御部では、前記第2スイッチの開閉状態遷移の条件となる遷移条件電圧範囲が定められており、前記入力電圧もしくは前記出力電圧が前記遷移条件電圧範囲の内であれば前記第2スイッチを開くとともに、前記入力電圧もしくは前記出力電圧が前記遷移条件電圧範囲の内でなければ前記第2スイッチを閉じるように制御し、さらに、前記第2スイッチが開いているときの前記遷移条件電圧範囲に対して、前記第2スイッチが閉じているときの前記遷移条件電圧範囲を変化させて、前記第2スイッチの開閉制御にヒステリシスを持たせることを特徴とする電流共振型直流電圧変換器。 A switching unit that generates an AC voltage from a DC input voltage;
A resonance unit that resonates when the AC voltage is applied to the resonance capacitance and the first resonance inductance;
A transformer having a primary side connected in series to the resonating unit;
A second resonance inductance present in parallel with the transformer;
A rectifying unit that rectifies a current appearing on the secondary side of the transformer to generate a DC output voltage;
A parallel resonance inductance adjustment unit having an adjustment inductance connected in parallel to the primary side of the transformer via a second switch, and changing the second resonance inductance ;
Voltage detection means for detecting the input voltage or the output voltage;
A second switch control section for controlling opening and closing of the second switch based on the input voltage or the output voltage detected by the voltage detection means;
Equipped with a,
In the second switch control unit, a transition condition voltage range that is a condition for the open / close state transition of the second switch is determined, and if the input voltage or the output voltage is within the transition condition voltage range, the second switch controller 2 switch is opened, the second switch is controlled to be closed if the input voltage or the output voltage is not within the transition condition voltage range, and the transition condition when the second switch is opened the voltage range, the second and the changing the transition condition voltage range when the switch is closed, the opening and closing control a current resonance type DC voltage conversion, wherein Rukoto a hysteresis of the second switch vessel.
前記第2スイッチ制御部は、
前記第2スイッチが開いているときの前記遷移条件電圧範囲に対して、前記第2スイッチが閉じているときの前記遷移条件電圧範囲をその両端の少なくとも一方で相対的に狭めることを特徴とする電流共振型直流電圧変換器。 The current resonance type DC voltage converter according to claim 1 ,
The second switch controller is
The transition condition voltage range when the second switch is closed relative to the transition condition voltage range when the second switch is open is relatively narrowed at least at one of both ends thereof. Current resonance type DC voltage converter.
前記第2スイッチは、
第1整流手段と、
この第1整流手段に直列接続された第1方向スイッチと、
第2整流手段と、
この第2整流手段に直列接続された第2方向スイッチと
を備え、
前記第1整流手段の整流方向を第1方向とし、前記第2整流手段の整流方向を第2方向とすると、前記第1方向と前記第2方向とが互いに逆向きとなるように、前記第1整流手段および前記第1方向スイッチが前記第2整流手段および前記第2方向スイッチに並列接続されていることを特徴とする電流共振型直流電圧変換器。 In the current resonance type DC voltage converter according to claim 1 or 2 ,
The second switch is
First rectifying means;
A first direction switch connected in series to the first rectifying means;
A second rectifying means;
A second direction switch connected in series to the second rectifying means,
When the rectifying direction of the first rectifying means is the first direction and the rectifying direction of the second rectifying means is the second direction, the first direction and the second direction are opposite to each other. A current resonance type DC voltage converter, wherein one rectifying means and the first directional switch are connected in parallel to the second rectifying means and the second directional switch.
前記変圧器の並列共振インダクタンスに流れる並列共振電流値および並列共振電流方向を検出する並列共振電流検出手段をさらに備え、
前記第2スイッチ制御部は、
前記第1方向スイッチおよび前記第2方向スイッチがいずれも閉じている場合に
前記入力電圧もしくは前記出力電圧が前記遷移条件電圧範囲の外から内へと変化すると、
前記並列共振電流方向が前記第1方向であれば、まず前記第2方向スイッチを開き、次に前記並列共振電流値が0になった後で前記第1方向スイッチを開くとともに、
前記並列共振電流方向が前記第2方向であれば、まず前記第1方向スイッチを開き、次に前記並列共振電流値が0になった後で前記第2方向スイッチを開くように、前記第1方向スイッチおよび前記第2方向スイッチを制御することを特徴とする電流共振型直流電圧変換器。 In the current resonance type DC voltage converter according to claim 3 ,
A parallel resonance current detecting means for detecting a parallel resonance current value flowing in a parallel resonance inductance of the transformer and a parallel resonance current direction;
The second switch controller is
When both the first direction switch and the second direction switch are closed, the input voltage or the output voltage changes from outside to inside the transition condition voltage range,
If the parallel resonant current direction is the first direction, first open the second direction switch, then open the first direction switch after the parallel resonant current value becomes 0,
If the parallel resonance current direction is the second direction, the first direction switch is first opened, and then the second direction switch is opened after the parallel resonance current value becomes zero. A current resonance type DC voltage converter for controlling a direction switch and the second direction switch.
共振用キャパシタンスおよび第1共振用インダクタンスを有する共振部に前記交流電圧が印加されて共振する共振工程と、
前記共振部に1次側が直列接続された変圧器で変圧を行う変圧工程と、
前記変圧器の2次側に現れる電流を整流して直流の出力電圧を生成する整流工程と、
前記変圧器と並列に存在する第2共振用インダクタンスを変化させる共振インダクタンス調整工程と、
前記入力電圧もしくは前記出力電圧を検出する電圧検出工程と、
この電圧検出工程で検出された前記入力電圧もしくは前記出力電圧に基づいて、前記変圧器の前記1次側への調整用インダクタンスの並列接続を介する第2スイッチの開閉を制御する第2スイッチ制御工程と
を備え、
前記第2スイッチ制御工程では、前記第2スイッチの開閉状態遷移の条件となる遷移条件電圧範囲が定められており、前記入力電圧もしくは前記出力電圧が前記遷移条件電圧範囲の内であれば前記第2スイッチを開くとともに、前記入力電圧もしくは前記出力電圧が前記遷移条件電圧範囲の内でなければ前記第2スイッチを閉じるように制御し、さらに、前記第2スイッチが開いているときの前記遷移条件電圧範囲に対して、前記第2スイッチが閉じているときの前記遷移条件電圧範囲を変化させて、前記第2スイッチの開閉制御にヒステリシスを持たせることを特徴とする電流共振型直流電圧変換方法。 A switching process for generating an AC voltage from a DC input voltage;
A resonance process in which the AC voltage is applied to a resonance part having a resonance capacitance and a first resonance inductance to resonate;
A transformation step of performing transformation with a transformer in which a primary side is connected in series to the resonance unit;
A rectifying step of rectifying a current appearing on the secondary side of the transformer to generate a DC output voltage;
A resonance inductance adjusting step of changing a second resonance inductance existing in parallel with the transformer ;
A voltage detection step of detecting the input voltage or the output voltage;
A second switch control step for controlling the opening and closing of the second switch through a parallel connection of the adjustment inductance to the primary side of the transformer based on the input voltage or the output voltage detected in the voltage detection step and comprising a <br/>,
In the second switch control step, a transition condition voltage range as a condition for switching the open / close state of the second switch is determined, and if the input voltage or the output voltage is within the transition condition voltage range, 2 switch is opened, the second switch is controlled to be closed if the input voltage or the output voltage is not within the transition condition voltage range, and the transition condition when the second switch is opened the voltage range, the second and the changing the transition condition voltage range when the switch is closed, the opening and closing control a current resonance type DC voltage conversion, wherein Rukoto a hysteresis of the second switch Method.
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